XII 環境に配慮したダムの効率的な建設・再開発技術に関する研究
研究期間：平成13年度～17年度
プロジェクトリーダー：水工研究グループ長
研究担当グループ：技術推進本部（構造物マネジメント技術）、材料地盤研究グループ（地質）、水工研究グループ（ダム構造物、河川・ダム水理）
1. 研究の必要性
環境保全の重要性に対する認識の高まりとともに、社会資本の整備にあたっては、事業の効率性を高めると同時に、自然環境や地球環境に及ぼす影響を極力回避、軽減することが求められている。このため、これまで整備されてきた社会資本ストックを有効に活用する方策を立案するとともに、新規の社会資本整備においても、環境に及ぼす影響を極力軽減できるような技術の開発が求められている。本重点プロジェクト研究では、ダム事業を対象として、上記の要請を踏まえて、既設ダムの有効活用技術の開発、自然環境へ及ぼす影響を極力回避できるような新規ダムの建設技術の開発を行う。
2. 研究の範囲と達成目標
本重点プロジェクト研究では、既設ダム、貯水池の有効活用を図るために、既設ダムの嵩上げ設計手法、放流設備の機能増強技術の開発を行う。また、新規のダム建設にあたっては、堤体材料を採取する原石山の改変を最小限に抑えるために、規格外骨材の有効利用方法の開発、およびダムサイトの掘削法面を最小化するために、ダム基礎岩盤の力学設計の高度化技術、貯水池法面の斜面対策を最小化するために、貯水池斜面の安定性評価技術の提案を行う。あわせて、自然環境への影響を軽減するために、従来よりも柔軟にダムサイトが選定できるように、ダム基礎岩盤の止水設計の高度化技術を提案する。これらの達成目標を整理すると以下のとおりである。
(1) ダムの嵩上げ設計手法の開発
(2) ダムの放流設備増強技術の開発
(3) 規格外骨材の品質評価および有効利用方法の開発
(4) 複雑な地質条件に対応した基礎岩盤、貯水池斜面の評価と力学設計技術の開発
(5) 岩盤性状に応じた透水性評価と止水設計技術の開発
3. 個別課題の構成
本重点プロジェクト研究では、上記の目標を達成するため、以下に示す研究課題を設定した。
(1) コンクリートダムの再開発技術に関する調査（平成13～16年度）
(2) フィルダムの嵩上げ技術に関する調査（平成13～16年度）
(3) ダム機能強化のための放流設備設計手法に関する調査（平成12～15年度）
(4) トンネル内放流設備の水理設計手法に関する調査（平成16～17年度）
(5) ダムコンクリートにおけるスラッジの有効利用に関する調査（平成12～14年度）
(6) 濁沸石等含有岩石のダムコンクリート骨材としての有効利用に関する調査（平成12～15年度）
(7) 低品質細骨材の有効利用に関する調査（平成15～17年度）
(8) 複雑な地質条件のダム基礎岩盤の力学的設計の合理化に関する調査（平成14～17年度）
(9) ダム基礎等におけるゆるみ岩盤の評価に関する調査（平成11～17年度）
(10) ダム基礎グラウチングの合理的計画設計法に関する調査（平成13～17年度）
このうち、平成17年度は(4)、(7)、(8)、(9)、(10)の5課題を実施した。なお、課題(1)、(2)については、終了予定年度を当初平成17年度としていたが、できるだけ早く成果を得て具体の事業に反映すべきであるとの評価委員会のご指摘を踏まえて、1年繰り上げて平成16年度に終了した。
4. 研究の成果
本重点プロジェクト研究の個別課題の成果は、以下の個別論文に示すとおりである。なお、「2. 研究の範囲と達成目標」に示した達成目標に関して、これまで実施してきた研究と今後の課題について要約すると以下のとおりである。
(1) ダムの嵩上げ設計手法の開発
本達成目標については、当初予定よりも1年繰り上げて平成16年度に「コンクリートダムの再開発技術に関する調査」と「フィルダムの嵩上げ技術に関する調査」を終了した。
「コンクリートダムの再開発技術に関する調査」では、ダムの嵩上げについて、施工時貯水位、嵩上げ比率、基礎岩盤の変形性が嵩上げダムの応力に及ぼす影響および嵩上げダムの地震時安定性について検討を行い、実際的な荷重作用方法や底面亀裂を許容する考え方を採用した重力式コンクリートダムの合理的な嵩上げ設計方法を提案した。また、放流設備の増設に伴う堤体穴あけについて、堤体の穴開け時に発生する引張応力の分布特性および開口部周辺に配置する鉄筋の効果を検討し、大規模地震時に放流管側部に生じる水平ひび割れの長さに着目して鉄筋量を検討するという合理的な堤体穴あけ設計方法を提案した。
「フィルダムの嵩上げ技術に関する調査」では、旧堤体の透水性が嵩上げダムの安定性に及ぼす影響、高密度電気探査による既設ダムと基礎地盤の漏水探査の適用性、および水圧破砕や大規模地震に対する嵩上げダムの安定性について検討するとともに、嵩上げする旧堤体の水没部での変形挙動を監視するシステムを開発した。これらの成果をもとに、経済性、湛水時や漏水時におけるせん断破壊や水圧破砕に対する安全性および大規模地震時の耐震性を評価するフィルダムの合理的な嵩上げ設計方法を提案した。
これらの成果は、具体のダムにおける嵩上げ設計、コンクリートダムの堤体穴開け設計、新設ダムの放流管周辺の配筋設計に活用されている。
(2) ダムの放流設備増強技術の開発
本達成目標については、平成15年度に「ダム機能強化のための放流設備設計手法に関する調査」を、平成17年度に「トンネル内放流設備の水理設計手法に関する調査」を終了した。
「ダム機能強化のための放流設備設計手法に関する調査」では、既設重力式コンクリートダム堤体に新たに放流設備を設置する手法として、湾曲エビ継ぎ管の水理特性、減勢工側方から空中放流する場合の減勢特性、放流騒音特性について検討した。これらの知見をもとに、湾曲エビ継ぎ管の実用的な設計手法を開発した。湾曲開水路流については、水流の導流壁への這い上がり量、減勢工への落下軌跡の推定方法を提案した。また、減勢時発生音について分析し、その大きさと周波数特性を明らかにした。
「トンネル内放流設備の水理設計手法に関する調査」では、ダム堤体外に新たに放流設備を設置する手法として、トンネル内放流設備の水理特性について検討を加えた。検討では、一様断面内及び断面が縮小するトンネル内放流時について、空気管が無い場合のトンネル内流況及び圧力降下量とトンネル断面規模、トンネル長の関係を解明するとともに、空気管がある場合の効果を明らかにした。また、形状が相似で規模が異なる模型を用いた実験により、実験結果の相似性を明らかにした。これらの知見をもとに、トンネル断面が一様な場合と下流で縮小する場合についてトンネル断面および空気管システムの設計方法を提案した。
これらの成果のうち、湾曲エビ継ぎ管や減勢時発生音の成果は具体の施設の設計検討に用いられており、他の成果についても今後具体のダムの施設設計に用いられる予定である。
(3) 規格外骨材の品質評価および有効利用方法の開発
本達成目標については、平成14年度に「ダムコンクリートにおけるスラッジの有効利用に関する調査」を、平成15年度に「濁沸石等含有岩石のダムコンクリート骨材としての有効利用に関する調査」を、平成17年度に「低品質細骨材の有効利用に関する調査」を終了した。
「ダムコンクリートにおけるスラッジの有効利用に関する調査」では，RCD用コンクリート、従来コンクリートにスラッジを混入させた場合のフレッシュ性状、圧縮強度、凍結融解抵抗性について検討した。その成果として、硬化体組織が緻密になることによって、強度は増加し、乾燥収縮や中性化速度は低減することを明らかにした。また、ワーカビリティーの低下に対しては適切な量の混和剤の利用によってこれを改善できることを示し、その配合設計方法をとりまとめた。
「濁沸石等含有岩石のダムコンクリート骨材としての有効利用に関する調査」では、濁沸石によるモルタルの劣化原因について検討した結果、濁沸石周辺に異常膨張を起こすような新たな物質や水和物の生成は認められず、乾湿繰り返しによる濁沸石の膨張圧がコンクリートの劣化をもたらす原因であることを明らかにした。この結果、濁沸石含有骨材は乾湿繰り返しのない内部コンクリートに使用可能であることを示した。以上の知見をもとに、濁沸石を含む骨材の有効利用法を提案した。また、スメクタイト、黒雲母含有骨材によるコンクリートの劣化機構を解明し、その有効利用法についても併せて提案した。
「低品質細骨材の有効利用に関する調査」では、密度、吸水率などの物理的性質が劣る細骨材がコンクリートの品質に与える影響について各種の試験を行った結果、フレッシュ性状が低下するものの圧縮強度や耐凍害性はほとんど影響がないこと、乾燥収縮の増加量は粗骨材が低品質化した場合に比較してやや小さいことを明らかにした。これらの知見をもとに、ダムコンクリートを対象とした低品質細骨材の品質評価基準案を提案した。
これらの成果は、国土交通省直轄ダムに適用し環境負荷の低減を図るとともに、JISや学会基準等の改正の際に反映する予定である。
(4) 複雑な地質条件に対応した基礎岩盤、貯水池斜面の評価と力学設計技術の開発
本達成目標については、平成17年度に「複雑な地質条件のダム基礎岩盤の力学的設計の合理化に関する調査」、「ダム基礎におけるゆるみ岩盤の評価に関する調査」を終了した。
「複雑な地質条件のダム基礎岩盤の力学的設計の合理化に関する調査」では、ダム基礎軟岩試料に対して高精度軸ひずみ測定装置を用いた三軸試験を実施し、その結果から軟岩の変形特性を高精度で表現できる力学モデルを提案した。また、作成した力学モデルを用い、原位置平板載荷試験結果、実ダム築堤時の基礎変形挙動の再現性を照査しモデルの適用性を確認したうえで、非線形変形特性を考慮したダム基礎の安全性評価手法を提案した。さらに、変形係数のばらつきがある軟岩基礎と地質境界を有する基礎岩盤を対象に、ダム築堤時の基礎表面の沈下量や伸び方向のひずみの評価に与える影響を変形係数の深度方向分布、堤高・ダム軸の掘削勾配を考慮したモンテカルロシミュレーションにより検討した。これらの結果をもとに、非線形性およびばらつきに着目した軟岩の変形性評価方法、および基礎変形に伴う基礎岩盤の力学安全性の評価方法を提案した。
これらの成果は、軟岩基礎上に建設されるフィルダムの基礎岩盤の変形に関する設計の合理化や信頼性向上に反映されている。
「ダム基礎におけるゆるみ岩盤の評価に関する調査」では、ダム基礎のゆるみ岩盤事例を分析し、全体の8割強を占める重力変形作用の変形によるゆるみ岩盤について、構成する地形・地質・地域・形状・地質性状との相関を明らかにした。また、ゆるみ進行に伴う密度低下、弾性波速度の低下、開口亀裂の拡大等の性状や物性変化に着目し、ボーリング孔や横坑を利用した様々なゆるみの区分・計測方法を開発した。
これらの成果は、複数のダムにおいて基礎岩盤の合理的な設計に活用されている。
(5) 岩盤性状に応じた透水性評価と止水設計技術の開発
本達成目標については、平成17年度に「ダム基礎グラウチングの合理的計画設計法に関する調査」を終了した。本研究では、グラウト注入3次元模型試験によるグラウト注入特性の把握、既設ダムのグラウチングデータに基づく最適なグラウチング孔間隔の設定方法について検討した。また、浸透流解析によるグラウチングの効果的な止水ゾーンの形成方法の検討、モンテカルロ法を用いた地盤の透水性のばらつきとグラウチング効果の検討を行った。さらに、高透水性地盤の透水性状や連続性に関する調査事例の分析から、それら調査手法の合理的な適用法について検討するとともに、共分散構造分析を用いて透水性と他物性との相関の分析を行い、透水性に影響を与える因子について検討した。さらに、既設ダムのカーテングラウチング実績データを用いて、最終次数孔とチェック孔の改良効果判定の比較によるチェック孔の省略可能性に関する検討を行い、チェック孔省略が可能となる条件について提案した。これらの知見をもとに、(1)ダム基礎岩盤の性状に応じた透水性評価手法の提案、(2)ダム基礎岩盤の性状に応じた配合・孔配置等のグラウチング計画・設計法の提案、(3)透水性の空間分布を考慮したグラウチング効果判定の提案を行った。
これらの成果のうち、達成目標(2)、(3)の成果は、2003年7月に発刊された「グラウチング技術指針・同解説」の改訂に反映され基礎岩盤の止水処理の合理化によるダム事業のコスト縮減に大きく貢献している。また、達成目標①の成果は、2006年1月に国土交通省河川局治水課長から通知された「改訂版 ルジオンテスト技術指針」の作成に反映され、ダム基礎岩盤の透水性調査の合理化に貢献している。
個別課題の成果
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究期間：平16～平17
担当チーム：水工研究グループ（河川・ダム水理）
研究担当者：柏井条介、宮脇千晴
【要旨】
既設ダムのより効率的な利用を促進するため、放流設備の増設が今後多く必要になることが予想される。既設ダム堤体内に設置スペースがない場合、この増設放流設備はトンネル式放流設備として地山内に設置されることになり、その合理的な設計方法の確立が求められている。本調査は、トンネル内放流設備の水理特性及び空気連行特性を解明し、トンネル断面及び空気管システムの設計方法を提案することを目的に実施するものである。調査項目は、放流管が1条でトンネル断面が一様な場合の、給気管が無い場合の流況及びトンネル上流端圧力、これらに対する模型縮尺の影響、給気管がある場合のトンネル上流端圧力改善効果、放流管が2条でトンネル断面が下流に向かって縮小する場合の影響の各項目であり、水理実験を通じて検討するとともに、トンネル断面及び給気システムの設定方法を検討した。17年度は最終年度であり、これら内容をとりまとめた。
キーワード：トンネル放流設備、空気連行現象、水理模型実験、フルード数、ウェーバー数
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究期間：平15～平17
担当チーム：技術推進本部（構造物マネジメント技術）
研究担当者：渡辺博志、片平博
【要旨】
ダムに使用する骨材量は膨大でその採取に伴う環境への影響が大きいために、多少品質の劣る岩石であっても有効利用に努め、掘削量を減じる必要がある。これまで、低品質骨材の研究は粗骨材を中心に行われてきたが、品質の劣る原石は細粒化され細骨材となりやすい。このため、低品質細骨材の有効利用技術が確立すれば、廃棄される岩石の量を大幅に減じられる可能性がある。このとから、全国から品質の劣る骨材を多数収集し、これらがコンクリートの性能に与える影響について実験的な検討を行った。
この結果、低品質な細骨材を用いると、(1)フレッシュ性状が変化しやすいこと、(2)圧縮強度や耐凍害性はほとんど低下しないこと、(3)乾燥収縮の増加量は粗骨材に比較してやや小さいこと等が分かった。 これらの結果から細骨材の品質基準（案）の提案を行った。
キーワード：コンクリート、低品質細骨材、フレッシュ性状、圧縮強度、凍結融解抵抗性、乾燥収縮
12.3 複雑な地質条件のダム基礎岩盤の力学的設計の合理化に関する調査
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究期間：平14～平17
担当チーム：水工研究グループ（ダム構造物）
研究担当者：山口嘉一，佐藤弘行，冨田尚樹，中村洋祐
【要旨】
環境保全上の制約から，さまざまな地質条件を有する地点をダムサイトとせざるを得ない現状にある。本課題では，このような状況を踏まえて，軟岩をダム基礎とした場合について，ダム基礎岩盤の変形性評価方法の提案および変形に対する基礎岩盤の安全性評価方法の提案を目指した研究を行う。
平成17年度は，軟岩の非線形変形性を表現するパラメータのばらつきに着目した軟岩の変形性評価について検討した。また，地質境界を有するフィルダム基礎岩盤について，左右岸の変形係数比や変形係数のばらつきの程度，地質境界の位置の違いが，堤体築造による基礎表面の沈下量や伸び方向のひずみの評価に与える影響について検討した。これらの成果を踏まえて，4年間の研究成果をとりまとめた。
キーワード：ダム，基礎岩盤，軟岩，非線形変形特性，ばらつき
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究機関：平11～平17
担当チーム：材料地盤研究グループ（地質）
研究担当者：佐々木靖人、倉橋稔幸
【要旨】
本研究は、ダム基礎におけるゆるみ岩盤の発生機構解明と地質調査手法の提案を目的として、ゆるみ岩盤の事例分析と、定量的な地質調査手法の開発をおこなったものである。そのためにまず、全国におけるゆるみ岩盤196事例を収集し、ゆるみ岩盤の地形・地質・形状・物性等の傾向や共通事項を分析し、ゆるみ岩盤の発生機構を三つに分類した。次に、ゆるみ岩盤が開口亀裂を有する特徴に着目し、その開口量やずれの分布からゆるみに関する亀裂の定義および指標試案、ならびに、横坑や露頭等におけるゆるみ性状の分類試案を作成した。また、ゆるみの進行に伴う岩盤物性や性状の変化を利用し、ゆるみ指標や岩盤の区分・計測方法を提案した。
キーワード：ゆるみ岩盤、発生機構、開口亀裂、分類試案、地質調査
12.5 ダム基礎グラウチングの合理的計画設計法に関する調査
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究機関：平13～平17
担当チーム：水工研究グループ（ダム構造物）
研究担当者：山口嘉一、佐藤弘行、中村洋祐
【要旨】
環境に配慮したダム建設を行う場合、環境保全上の制約から複雑な地質条件を有する地点をダムサイトとせざるを得ない場合がある。このため、ダムの安全性を確保するうえで、複雑な地質条件に応じた基礎岩盤の合理的、経済的な止水設計方法の開発が求められている。本研究課題は、(1)ダム基礎岩盤の性状に応じた透水性評価手法の提案、(2)ダム基礎岩盤の性状に応じた配合・孔配置等のグラウチングの計画・設計法の提案、(3)透水性の空間分布を考慮したグラウチングの効果判定法の提案、の3つを最終的な達成目標としている。平成17年度は、(1)に関する検討として、高透水性地盤の透水性状や連続性に関する調査事例の分析とそれら調査手法の合理的な適用法についての検討を行った。また3つの達成目標に関連する検討として、透水性と他の観測データとの相関性の分析に関する検討を行った。さらに、(2)および(3)に関する検討として、既設ダムのカーテングラウチング実績データを用いた、最終次数孔とチェック孔の改良効果判定の比較によるチェック孔の省略可能性に関する検討を行った。また、今年度は本研究課題の最終年度であるため、これまでの5年間の研究成果についてもとりまとめた。
キーワード：ダム、グラウチング、チェック孔、高透水ゾーン
